异步电动机节能控制系统辅助电源设计

李许军，姜毅龙，李宗义，杨新华

（1.甘肃机电职业技术学院 甘肃 天水741001；2.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050）

异步电动机节能控制系统辅助电源设计

李许军1，姜毅龙1，李宗义1，杨新华2

（1.甘肃机电职业技术学院 甘肃 天水741001；2.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050）

针对以IGBT模块为逆变器的异步电机节能控制系统辅助电源要实现宽范围电压输入和多路隔离输出的问题，采用了单端反激式多路输出结构作为辅助电源主电路拓扑结构。设计了以PWM控制芯片TL2844B为调节核心的单端反激多路输出开关电源的方案，详细介绍了高频变压器、缓冲吸收电路、启动电路、电压反馈电路、电流限制等电路的设计，最后进行了辅助电源样机试验。实验结果表明，该电源系统各路电压输出稳定，高频噪声小，在实际应用中，满足了异步电机节能控制系统中对辅助电源的各项要求。

节能控制器；辅助电源；反激式开关电源；TL28448；多路输出

开关电源的发展方向是频率更高、体积更小、电压更低、电流密度更大、效率更高、线路简洁、可靠性高，而且有自动均衡各路输出负载的能力，所以常用于各种电器电源或功率开关的驱动电源。在不同的电子系统，不仅要求具有各种电压组合输出，而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求，如电压精度，电压的负载能力（输出电流），电压的纹波和噪声，电压过冲，跨步负载响应，抗干扰能力等[1-4]。

在异步电动机降压或变频调速节能控制系统中，常以IGBT模块为核心的电路实现电机的控制。系统对其辅助电源要求实现多路输出不同电压，并且要求各路负载能力不同、稳压精度也不同。为此，本研究从应用和成本角度出发，采用结构简单的反激式拓扑结构，通过变压器耦合调节多绕组实现多路输出的设计方案，旨在满足设计需求的同时兼顾成本；对电压纹路要求较高的输出电压的精确稳压，同时进行噪声抑制，以满足控制系统的要求[5]。

在以IGBT模块为核心电机节能控制系统中辅助电源主要有：

1）+15 V、-5 V：作为IGBT栅极驱动电源（精确稳压）；

2）+15 V、-15 V：为控制系统的模拟集成电路提供电源；

3）+5 V电源：为控制系统数字集成电路供电（精确稳压）；

4）+24 V：继电器电路提供电源。

其中，+24 V、+15 V和-15 V以及一路+5 V电源由开关电源提供。另一路+5 V电源和IGBT模块栅极驱动电源+15 V 与-5 V组合需要精确稳压。

1　开关电源设计

该辅助电源设计原理图如图1所示。整个电路由输入整流滤波电路、高频压器、启动电路、稳压电路、输出电路、反馈电路和保护电路等组成。220 V交流电经过整流滤波后，通过单端反激变换器转换为＋24 V、＋15 V和-5 V、±15 V、＋5 V输出，其中＋5 V、＋15 V和-5 V输出是最重要且纹波要求较高的，因此对＋15 V和-5 V输出进行电压反馈调节；对＋5 V输出采用7805进行稳压。考虑到辅助电源的负载是固定的，其他各路输出电压的质量要求不高，在满足系统要求下，考虑低成本的角度出发，对于其他各路输出不在采用二次稳压和LC滤波。

图1　开关电源原理图

1.1高频变压器的设计

用于开关电源的高频变压器磁芯都是铁磁合金，实际应用的磁芯材料有铁氧体、超微晶合金等。选择磁芯时最重要的考虑因素是在工作频率点处的损耗和磁密，因此正确的选择高频变压器磁芯，对变压器性能发挥至关重要[6-8]。

高频变压器磁芯材料选用锰-锌铁氧体，其饱和磁感应强度为：5 000 Gs，相对磁导率：ur=300～500，取最大磁通密度：Bm=0.2 T。当磁芯中磁感应强度小于Bm=0.2 T时，磁芯的相对磁导率可取：ur=2 000，变压器磁芯面积乘积为：

其中窗口利用系数KW取0.3，绕组电流密度KJ取3 A/mm2。Ac为磁芯截面积，Am为窗口面积，Bm为磁通密度。对于多路输出的高频变压器，由于绕组比较多，在选择磁芯时AcAm比计算值大很多，这样方便变压器绕制，同时变压器的散热比较好，温升问题也较小[9]。

原边直流电压范围：

U1=220～311 V

取：电源电压最低、负载最大时，最大占空比为50%，可得原边匝数：

原边电流最大值的计算：

主输出绕组:

只要主输出绕组匝数大于上式的计算值，开关管就不会过压。

其他绕组所需匝数:

其中VOn该路输出电压，VDn为管压降，取0.7 V，VO1为主输出电压。

1.2输入整流滤波电路

输入整流滤波电路通常由EMI滤波器、浪涌电压电流抑制器、整流器和滤波电容组成。图1中220 V交流电由保险管FU加至抗浪涌电容C1两端，经电感Ll加至全桥整流器D1～D4，经整流和C5滤波后获得约+300 V电压。其中L1为共模电感，选用10 mH的铁氧体高频电感线圈，用于抑制共模信号[11-12]。C1、C2主要用来抑制差模信号，C3为输入滤波电容，选取47 uF/400 V铝电解电容。

1.3TL2844B的启动电路和供电电路

TL2844B的第7引脚为芯片的工作电源，其工作电压为15 V，关闭电压为10 V，直流高压分为两路：一路经变压器初级绕组直接加至MOS管的漏极；另一路经启动电阻R2、R3降压给TL2844B第7脚VCC并联的电容C5充电，当VCC≥15 V时芯片启动工作，同时变压器次级馈电绕组及C5、C6、R5和D7组成的电路在系统逐渐稳定后输出+15 V电源到VCC，以保持芯片的正常工作，所以当启动电阻确定后，C5电容值需要合适选择，其容量选择47 uF/35 V。为保护TL2844B芯片，电源端VCC输入端设有稳压二极管，用于保证其内部电路工作在30 V以下，防止高压冲击损害器件。

1.4稳压电路设计

在系统中，IGBT栅极驱动电源+15 V和-5 V组合输出精度要求较高，因此对其进行电压反馈稳压，电压反馈电路通过电阻R13、R15对+15 V的输出电压进行分压，将R15得到的采样电压与TL431的参考端2.5 V进行比较。若采样电压小于2.5 V（或相等），则TL431未工作，阴极电流很小，此时P521光耦不导通。在图2中，TL2844B的第1脚COMP为高电位，约为5.8 V（经过两个二极管压降再通过电阻分压得到的电压约为1.8 V，但由于TL2844B芯片内部有1 V稳压管，电流感应比较器反相输入端为1 V，其输出R为低电平）。或门输出保持原有状态（当S为高电平时，无论R是何状态，MOS管此时关断，即R对或门的输出无影响，当S转为低电平，RS触发器保持原有状态），从而输出以最大占空比进行输出。

图2　TL2844B内部结构

当输出电压偏高时，则采样电压大于2.5 V，流过TL431的阴极电流增大，P521光耦导通，RS触发器R为高电平。在开关周期内，S为高电平表示开关管关断，输出R对或门输出无影响，若S为低电平，RS触发器输出高电平，表示无论开关管在什么状态，或门输出为高电平，开关管关断，输出占空比下降，导致输出电压降低。

1.5电流限流电路设计

在反激式电源DC/DC变换器中，流过变压器和MOS管的电流为脉冲电流，必须限制流过MOS管和变压器中的最大电流，同时也能有效地抑制输入电压的尖峰产生的过电流[13]。

开关管导通时，通过电阻R10、R11组成的电流检测电阻，在检测电阻上产生一个电压降，该电压与TL2844B的内部电流比较器的另一端进行比较，如图2所示TL2844B的内部电路，当这电压达到一定值时，锁存器复位，开关管截止；正常运行时，检测电阻上的峰值电压由误差放大器控制。TL2844B的内部电流感应比较器反向输入端钳位电压为1 V，因此最大峰值电流限制为I=1/（R10//R11）。为了防止在MOS管导通期间因个别原因产生尖峰电流使得检测电压升高，导致MOS管误关断，在电压检测输入端加入了由R5和C8组成RC滤波电路，以此滤除MOS管导通时锯齿波的前端小尖峰。

1.6缓冲吸收电路设计

在反激式变换电源中，当MOS管关断时，变压器漏感与MOS管及变压器的寄生电容之间的谐振会在MOS管两端产生很大的尖峰电压，有可能损坏管子或造成管子硬开通，产生不良后果，本设计采用RCD箝位电路保护开关管[14-15]。图1中，在开关变压器初级绕组上并联吸收电路，即当管子关断时，D5给C4充电，把尖峰电压钳位在安全值以下，通过R1释放积聚的能量，以此来减少开关管所承受电压冲击，确保电路安全可靠运行。

RCD箝位电路参数的选定要考虑到变压器原边最大电流、最大输入电压以及MOS管的各项参数，由于系统负载发生变化时箝位电压会随之变化，R1、C4参数选择合适，不仅能抑制开关管的关断尖峰电压，而且箝位电阻R1的损耗较低。在RCD箝位电路设计中D5选用高压快恢复管RFl07，C8选用耐压在1 kV左右，且功率须在1 W以上的电容。

2　样机测试结果与分析

根据设计组装出电源样机，经过反复调试后，对各输出电压进行了测试，结果表明电源各个参数均达到设计要求。图3为设计的开关电源应用电路，图4所示为+5 V输出波形图，输出波形没有尖锐的毛刺，波动峰值均小于50m V。在整个系统调试运行过程中，辅助电源工作稳定可靠，基本达到系统设计的要求。

图3　应用电路（部分）

图4　5V输出波形图

3　结束语

文中采用TL2844B作为控制芯片，利用电压闭环反馈和电流的限流调节功能，实现了多路电压的稳定输出；同时设计了过压和过流保护电路既能保护开关管又能保证系统的效率。由于TL2844B的功能高度集成，性能优良、管脚数量少、外围电路简单、价格低廉等优点，为设计降低了设计难度和成本。文中设计的开关电源的在异步电机节能控制器中得到应用，运行效果良好。

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The design of auxiliary power supply of the energy saving control system for asynchronous motor

LI Xu-jun1，JIANG Yi-long1，LI Zong-yi1，YANG Xin-hua2
（1.Gansu Mechanical&Electrical Vocational and College，Tianshui 741001，China；2.College of Computer and Communication，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Aiming at the problem that the energy saving control system for asynchronous motor with IGBT module as the inverter assist power supply to achievethe voltage input at super wide rangeand multi-channel and separation output，the single flyback multi-output structure is used as the main circuit topological structure of the auxiliary power supply.The paper designed the solution of the single flyback multi-output switching power supply as the regulative core of PWM control chip TL2844B，introduced the design of circuit about the high frequency transformer，buffer absorption circuit，soft-starting circuit，voltage feedback circuit and current limitationin detail，and finally carried out the prototype test of auxiliary power supply.Experimental results show that it is stable about various voltage outputsof power supply system，the high frequency noise is small，and it can meet the requirements of the auxiliary power supply in the energy saving control system for asynchronous motorin the practical application.

energy-saving controller；auxiliary power supply；flyback switching power supply；TL28448；multiplexed output.

TN86

A

1674－6236（2016）22-0060-04

2015-11-24稿件编号：201511224

天水市科技支撑计划项目（201309）

李许军（1981—），男，甘肃天水人，讲师。研究方向：电气自动化。